Im Winter eine oft gehörte Aufforderung: „Schnell, mach‘ das Fenster zu, es kommt kalt herein“. Wenn aber Kälte die Abwesenheit von Wärme ist, wie kann das „Nichts“ hereinkommen? Die genaue Betrachtung dieser Frage bringt einen schnell auf die Kernbegriffe der Wärmelehre – oder darf man auch sagen, die Kälteabwesenheitslehre?

Im Sommer wünscht man es sich, im Winter hingegen möchte man das nicht.

Bei dieser Frage unterscheidet sich das Alltagsverständnis von physikalischer Fachvorstellung sehr stark. Natürlich: im Winter steht das Fenster offen, kalte Luft kommt herein, und es wird sicherlich warme Luft auch hinausgehen.

Wir sprechen: “Kälte kommt herein und Wärme geht hinaus”.

Physikalisch gesehen ist Kälte aber die Abwesenheit von Wärme, also “Nichts” – und Nichts kann nicht hereinkommen. Genauso wie Schatten die Abwesenheit wie Licht ist.

Tag ist übrigens laut Aristoteles die Abwesenheit von Nacht.

Was ist jetzt da? Und was fehlt?

Wärmeenergie ist die Energie, die in der Bewegungsenergie von Atomen und Molekülen gespeichert ist. Sie bewegen sich in alle Richtungen. Wärme ist also die Energie der sich mehr oder weniger bewegenden Atomen und Molekülen. Bei einem heißen Körper ist die durchschnittliche Bewegungsenergie der Atome und Moleküle hoch. Bei einem kalten Körper ist die durchschnittliche Bewegungsenergie der Atome und Moleküle niedrig.

Das heißt: die Wärme eines Körpers/System ist die Gesamtheit der Bewegungen der Moleküle  eines Körpers, welche keine resultierende Bewegung zu Folge hat, das heißt seine innere Bewegung ist ungeordnet, der Körper bewegt sich nicht in eine bestimmte Richtung weg.

Beim absoluten Nullpunkt (-273,… Grad Celsius, 0 Kelvin) kommt alles zum Stillstand – im Idealfall, der nicht erreicht wird. Denn irgend etwas bewegt sich in den hinteren Kommastellen immer noch. Der absolute Nullpunkt kann daher nie ganz erreicht werden.

Prozessgröße und Zustandsgröße

Es gibt auch noch eine andere Definition von Wärme: sie ist das Fließen von Energie. Jene Energie, die von einem Körper mit hoher innerer Energie zu einem Körper mit niedriger Energie fließt. Energie ist eine Zustandsgröße. Wärme ist Energie in Bewegung, Wärme ist eine Prozessgröße. Wenn Sie alleine im Universum sind, können Sie keine Wärme empfinden. Erst wenn Energie von Ihnen in einumgebendes System abfließt, sagen Sie „huh, es ist kalt“, wenn Energie zu Ihnen fließt, dann sagen Sie, „warm“. Dazu braucht es aber erst das umgebende System.

So geht  also Wärme zum Fenster hinaus. “Nichts” (Kälte) kann ja nicht hereinkommen. Physikalisch.

De facto ist es aber schon so: Kalte (bewegungsarme) Luftmoleküle kommen herein, und warme (sich schnell bewegende) gehen hinaus. Alltagsempfinden.

Die Beantwortung diese Frage läuft also auf eine präzise Definition der Wärme hinaus, und auf einer Trennung von physikalische Definition vom Alltagsverständnis.

Weil wir dabei sind: Wärme ist das Fließen von Energie. Temperatur ist ein Maß für die Bewegungsenergie der sich ungeordnet bewegenden Atome und Moleküle.

Selbst wenn es kalt ist, st es physikalisch noch ziemlich warm. So um die 273 Kelvin. Aber Achtung: Temperatur ist genau genommen etwas anderes wie Wärme.

3 Mechanismen der Wärmeübertragung

Es gibt drei Mechanismen, wie Wärme übertragen werden kann. Wärme fließt – von selbst – immer von heiß nach kalt. Von einem Körper hoher innerer Energie zu einem Körper mit niedriger Energie.

1) Wärmeleitung: durch direkten Kontakt wird die Bewegungsenergie von Atomen und Molekülen durch Stöße weitergegeben. Genau: Bei Kontakt Körper verschiedener Temperatur stoßen sich die schnelleren (Luft-)Moleküle des wärmeren Körpers gegen die langseren des kühleren Körpers. Es kommt so zur Energieübertragung, die schnelleren Moleküle (warm) werden langsamer, die langsameren Moleküle (kalt) schneller, bis alle gleich schnell sind. Die Molekülgeschwindigkeiten gleichen sich au und es kommt zum Temperaturausgleich. Dies geschieht zuerst an den Grenzflächen, und durch weitere Stöße auch im Inneren der Körper unterschiedlicher Temperatur bzw. mitlerer Molekülgeschwindigkeit. Durch diese Molekülstöße geht die Energie vom heißeren auf den kälteren Körper über. Diese „überfliesende“ Energie ist die Wärme

Bei unserem Fall hieße dies: die wärmere Luft, genauer die schnelleren Luftmoleküle, trifft auf die kältere Luft, genauer die langsameren Luftmoleküle.

Beispiel: Herdplatte, die im Kontakt mit dem Topf steht; oder am Strand: wir stehen auf dem heißen Sand, die Sole nimmt die Wärmeenergie soweit auf bis beide gleich warm sind.

2) Konvektion/Wärmeströmung: Moleküle werden als Gesamtes bewegt, sie transportieren die Wärmeenergie. Beispiel: Thermoskanne, Zentralheizung, warme Luftpakete steigen auf; Thermik ebenso; oder Meeresströmungen: Die Strömung kann von selbst zu Stande kommen, aufgrund der Dichteunterschiede, durch Temperaturunterschiede bedingt. Oder mittels Pumpe oder Gebläse künstlich erzeugt werden.

3) Wärmestrahlung: Die Wärmeübertragung findet hier in Form einer elektromagnetischen Welle statt. ZB: Licht, aber auch Radiowellen. Die Wärmeübertragung kann hierbei über sehr große Entfernungen und durch Vakuum stattfinden. Elektromagnetische Wellen transportieren Wärmeenergie auch durch den leeren Raum.

Beispiel: am Strand – wir werden durch die Sonnenstrahlen erwärmt oder Essen in der Mikrowelle nimmt Energie in Form von Wärme auf; Kalchelofen. Dieser Ofen heizt die Dinge im Raum, und nicht die Luft, was die Schleimheute schont und den Raum gemütlich macht.

Stichwort Treibhauseffet: Licht geht durch Glas in das Innere eines Glashauses/Treibhauses. Es heizt dort die Gegenstände und die Luft auf. Diese strahlt Wärmestrahlung zurück, elektromagnetische Strahlung im Infrarotbereich. Diese Frequenzen können aber nicht durch das Glas entweichen, ist für Infrarotstrahlung undurchsichtig. Die Energie bleibt im Treibhaus.

Immer noch interessiert?

Schauen Sie sich doch einmal die Hauptsätze der Wärmelehre an. Sie sind echte Grundlagen. Einfacher und präziser geht es nicht mehr.